Вплив навантаження на основнi характеристики передачi енергii джерелом постiйного струму

Робота 4. Дослiдження впливу навантаження на режими роботи джерела постiйного струму. Нелiнiйнi електричнi кола

4.1 Мета роботи

1. Дослiдити вплив навантаження на основнi характеристики передачi енергii джерелом постiйного струму. Навчитися дослiджувати нелiнiйнi електричнi кола.

4.2 Короткi теоретичнi вiдомостi

Будь-яке електричне коло складаiться з джерела електричноi енергii, споживача та лiнii передачi i його можна представити електричною схемою, наведеною на рис.4.1.

Рис.4.1.

На цiй схемi позначено:

Е тАУ е.р.с. джерела енергii; r тАУ внутрiшнiй опiр цього джерела; R тАУ зовнiшнiй опiр електричного кола або опiр навантаження. У випадку передачi енергii на значну вiддаль опiр лiнii передачi можна добавити до опору r.

На пiдставi другого закону Кiрхгофа можна записати

Е = I r + U, /4.1/

де РЖ тАУ струм у колi; U тАУ напруга на опорi навантаження.

Згiдно з законом Ома струм РЖ та напругу U можна виразити так:

, /4.2/

. /4.3/

При проходженнi струму у колi буде мати мiсце спад напруги на внутрiшньому опорi r, яке ще називають втратою напруги. Позначивши його , будемо мати

Потужнiсть джерела живлення при цьому дорiвнюi

. /4.4/

Враховуючи /4.2/, потужнiсть, що видiляiться в опорi навантаження,

або /4.5/

Рiвняння /4.5/ показуi, що залежнiсть представляi собою квадратичну параболу, направлену вниз.

Втрата потужностi на внутрiшньому опорi

. /4.6/

Коефiцiiнт корисноi дii електричного кола

/4.7/

Розглянемо основнi режими роботи електричного кола.

Режим холостого (неробочого) ходу. В цьому випадку i тому

РЖ = 0; U = E; DU = 0; P₁ = P₂ = 0 i DP = 0; h = 1.

Остання рiвнiсть пояснюiться тим, що при холостому ходi вiдсутнi втрати потужностi на внутрiшньому опорi.

Режим короткого замикання. Коротке замикання маi мiсце при R = 0 . Для цього режиму

; U = 0; DU = E; ; P₂ = 0 i DP = P₁; .

При короткому замиканнi струм у колi досягаi максимального значення.

Режим узгодженого навантаження. Оскiльки у двох розглянутих випадках корисна потужнiсть Р₂ = 0, то доцiльно знайти умову, за якоi ця потужнiсть матиме максимальне значення. Зрозумiло, що ця потужнiсть буде залежити вiд опору R за умови, що е.р.с. Е i внутрiшнiй опiр r будемо вважати незмiнними.

З цiiю метою з рiвняння /4.5/ визначимо похiдну i прирiвнюiмо ii до нуля:

або .

Звiдки виходить, що .

Отже, потужнiсть, що видiляiться у зовнiшньому навантаженнi буде максимальною, коли опiр навантаження дорiвнюi внутрiшньому опору джерела.

Такий режим роботи називають узгодженим режимом або режимом узгодженого навантаження.

Очевидно, в цьому випадку будемо мати:

; ; ; ;

; i .

Режим узгодженого навантаження використовують у тих випадках, коли необхiдно забезпечити максимально можливе значення вихiдноi потужностi, не звертаючи увагу на величину к.к.д.

Такi режими роботи бувають доцiльними в електронних пристроях, для яких характернi невеликi рiвнi потужностi. Електричнi системи великоi потужностi, наприклад, системи енергопостачання, працюють в режимi, близькому до режиму холостого ходу, що забезпечуi iх високий к.к.д.

Графiки змiни Е, , , Р₁, , i в залежностi вiд струму РЖ, тобто вiд режиму роботи, зображенi на рис.4.2.

Рис.4.2.

Електричнi кола постiйного струму, окрiм лiнiйних елементiв, часто мають i нелiнiйнi елементи. Кола, якi складаються з лiнiйних i нелiнiйних елементiв, називаються нелiнiйними колами. На дiлянцi кола з нелiнiйним елементом не виконуiться закон Ома, бо залежнiсть струму вiд прикладеноi напруги i нелiнiйною. Крива, яка вiдображаi залежнiсть струму вiд напруги, називаiться вольтамперною характеристикою .

Вольтамперною характеристикою лiнiйного елемента, наприклад, резистора, i пряма лiнiя, а нелiнiйного - крива. Характер нелiнiйностi вольтамперноi характеристики рiзних нелiнiйних елементiв рiзний. Вiн залежить вiд природи нелiнiйного елемента. Нелiнiйнi елементи створювали для того, щоби реалiзувати процеси, якi не можуть вiдбуватися в лiнiйних колах. Зокрема, вони дають змогу стабiлiзувати в певних межах напругу чи струм, iх пiдсилювати, а також змiнювати iх за бажаними нелiнiйними законами тощо.

Нелiнiйнi елементи подiляються на некерованi i керованi. В некерованих елементах (дiоди, баретори, стабiлiтрони тощо) опори однозначно визначаi вольтамперна характеристика, а в керованих (транзистори, тиристори та iншi) сама вольтамперна характеристика залежить вiд величини керуючого впливу. Окрiм того, вольтампернi характеристики нелiнiйних елементiв бувають симетричними i несиметричними вiдносно початку координат.

Рис. 4.3

На рис.4.3 наведена вольтамперна характеристика напiвпровiдникового дiода, iз якоi видно, що величина опору залежить як вiд величини напруги, так i вiд ii полярностi i буде рiзною. Така характеристика i несиме-тричною. При розрахунку нелiнiйних кiл вводять поняття статичного R_c_т i динамiчного R_д опорiв. Статичним опором нелi-нiйного елемента у будь-якiй точцi вольтамперноi характеристики називають опiр, який вираховують за законом Ома

. /4.8/

Динамiчним опором нелiнiйного елемента i похiдна напруги за струмом в данiй точцi, тобто

. /4.9/

Отже, динамiчний опiр кiлькiсно визначаi нахил вольтамперноi характеристики i вiн буде дорiвнювати котангенсу кута нахилу дотичноi до осi абсцис в данiй точцi характеристики. Чим бiльше кривизна вольтамперноi характеристики, тим бiльше вiдрiзняiться динамiчний опiр нелiнiйного елемента вiд статичного.

Розрахунок нелiнiйних електричних кiл можна вести аналiтичним i графiчним методами. Аналiтичнi методи i складними i громiздкими. Якщо вiдома вольтамперна характеристика нелiнiйного елемента, то використовують метод графiчного розрахунку.

Пр послiдовному зтАЩiднаннi лiнiйного (R₁) i нелiнiйного (НЕ) опорiв (рис.4.4, а), на якi подана напруга U, завжди справедлива рiвнiсть

, /4.10/

де i - спади напруг на лiнiйному i нелiнiйному опорах

а) б)

Рис.4.4

Розрахувати нелiнiйне електричне коло наведене на рис. 4.4,а, це значить за вiдомими напругою живлення U, опором R₁ i вольтамперною характеристикою визначити струм у колi i спади напруг на лiнiйному i нелiнiйному елементах. Щоби виконати цi розрахунки графiчним методом, необхiдно на графiку побудувати у тому ж масштабi залежнiсть мiж струмом у колi i спадом напруги на лiнiйному елементi . Цю залежнiсть можна представити так:

/4.11/

Залежнiсть /4.11/ i лiнiйною i ii будують за двома точками:

- при згiдно /4.11/ (точка А на рис. 3.4,б);

- при (точка В на рис. 4.4, б).

ЗтАЩiднавши цi точки, одержимо залежнiсть . Точка перетину прямоi АВ з вольтамперною характеристикою визначаi струм у колi i спади напруг i .

Розглянутий метод розрахунку нелiнiйного кола не i iдиним. Цей же розрахунок можна було б здiйснити, склавши вольтампернi характеристики лiнiйного i нелiнiйного елементiв. В результатi одержали б вольтамперну характеристику нелiнiйного кола, з якоi за напругою живлення визначили би графiчно струм i спади напруг. Але побудувати вольтамперну характеристику кола бiльш складно, нiж лiнiйну залежнiсть

Якщо в послiдовному колi i лiнiйний i декiлька нелiнiйних елементiв, то склавши вольтампернi характеристики нелiнiйних елементiв, отримують еквiвалентну вольтамперну характеристику нелiнiйноi частини кола . За вiдомими i напругою U розраховують розглянутим графiчним методом струм i спади напруг, бо

При паралельному зтАЩiднаннi лiнiйного i нелiнiйного елементiв струм в лiнiйному елементi вираховують за законом Ома, а в нелiнiйному - за вольтамперною характеристикою. Струм в нерозгалуженiй частинi кола буде дорiвнювати сумi цих струмiв.

Розглянутi методи придатнi i для розрахункiв нелiнiйних кiл зi змiшаним зтАЩiднанням елементiв.

4.3 Програма роботи

1. Провести вимiрювання напруги i струму при змiнi навантаження в межах ..0.

2. За даними вимiрювань i обчислень побудувати на одному графiку залежностi Е, U, , , , i .

3. Зняти вольтамперну характеристику нелiнiйного елемента i побудувати графiк

4. Визначити струм у нелiнiйному колi i спади напруг на лiнiйному i нелiнiйному елементах.

4.4 Опис лабораторноi установки

Для виконання лабораторноi роботи використовуiться обладнання i вимiрювальнi прилади лабораторного стенда УИЛС. На набiрному полi стенда скласти електричне коло, схема якого наведена на рис. 4.5.

Рис.4.5

Напругу на входi кола, яка приймаiться рiвною е.р.с. Е, беруть вiд джерела живлення на стендi. РЗi величину за вказiвкою викладача виставляють в межах 10..20 В повертанням ручки тАЬНапряжениетАЭ. Опiр r, що моделюi внутрiшнiй опiр генератора, слiд взяти рiвним 51 Ом або 75 Ом. В якостi опору навантаження використовують магазин опорiв, що розташований у верхнiй правiй частинi стенда. Приладами PV i PA i цифровi прилади iз комплекту стенда.

4.5 Порядок виконання роботи

1. Для дослiдження впливу навантаження на режими роботи електричного кола необхiдно:

тАУ зiбрати електричне коло згiдно зi схемою рис.4.5;

тАУ розiмкнути перемичку П₁ i виставити напругу, задану викладачем. Пiд час дослiдiв необхiдно стежити, щоби напруга живлення не змiнювалась;

тАУ записати покази приладiв для режиму холостого ходу в табл.1;

тАУ створити режим короткого замикання, поставивши перемички П₁ i П₂, i записати покази приладiв;

тАУ знявши перемичку П₂, пiдтАЩiднати до джерела опiр навантаження ;

тАУ змiнюючи дискретно за допомогою ручки величину опору , записати до табл.1 покази вольтметра для струмiв 0,2; 0,4; 0,5; 0,6 i 0,8. При цьому поточнiше виявити режим узгодженого навантаження;

2. Виконати обчислення величин, вказаних в правiй частинi табл.1, i на одному графiку побудувати залежностi E, U, DU, P₁, P₂, DP i h = f (I).

Таблиця 1

№ з/п	Режим роботи	Вимiрювання			Обчислення
№ з/п	Режим роботи	Е, В	РЖ, А	U, B	r, Ом	R_н, Ом	DU, В	P₁, Вт	P₂, Вт	DP, Вт	h, %
1.	Хол.хiд
2.
3.
4.	Узг.навант.
5.
6.
7.	КЗ					0

Вместе с этим смотрят:

GPS-навигация

GPS-прийомник авиационный

IP-телефония и видеосвязь

IP-телефония. Особенности цифровой офисной связи

Unix-подобные системы